Bioreactoren worden veel gebruikt om verschillende therapieën te produceren in de biofarmaceutische en regeneratieve geneeskunde-industrie. Geneesmiddelontwikkeling berust op kleine platen met meerdere putjes die rond een orbitale diameter worden geschud, terwijl bioreactoren op productieschaal worden geroerd door te roeren. Deze verschillende methoden leveren verschillende vloeistofdynamica op, waardoor het moeilijk is om laboratoriumbevindingen op te schalen naar de industrie.

Een team van onderzoekers van University College London begint deze kloof te overbruggen door analytische technieken voor geroerde bioreactoren toe te passen op de vloeistofdynamica van orbitaal geschudde bioreactoren (OSB's). Combinatie van verticale en horizontale metingen door middel van deeltjesbeeldsnelheidsmeting, de groep reconstrueerde een 3D-model van OSB-stroom en bepaalde de belangrijkste kenmerken van de coherente structuren in OSB's. Ze publiceren hun werk deze week in Fysica van vloeistoffen .

"In dit werk, we gebruikten twee verschillende ontledingstechnieken, waardoor we dominante vormen van oscillatie van de stroom in de reactor konden identificeren, " zei Andrea Ducci, een auteur op papier. "Het eerste paar modi regelt de vrije oppervlaktebeweging en dus de beluchting van cellen, terwijl het tweede paar gerelateerd is aan de bulkstroom van de tank."

Geschudde bioreactoren bieden lage schuifspanningen en goed gedefinieerde vrije oppervlakken van zuurstofoverdracht, een zachte werveling die van vitaal belang is voor het kweken van zoogdiercellen. Juiste orthogonale ontleding (POD), rangschikt modi op energie, terwijl dynamische modus decompositie (DMD), orden ze op frequentie. Ducci zei dat hun team deze technieken voor het eerst gebruikt om OSB's te analyseren.

De onderzoekers gebruikten Finite-Time Lyapunov Exponent (FTLE) analyse om te beoordelen hoe goed de reactor voedingsstoffen verspreidt. In FTLE, de paden van aangrenzende deeltjes worden aan elkaar genaaid uit een reeks vertraagde afbeeldingen. Hoe verder de deeltjes na verloop van tijd zijn, hoe beter de menging.

Het team heeft de stroom in de OSB's gemeten bij twee verschillende Froude-getallen (Fr), dimensieloze grootheden die stroomtraagheid relateren aan zwaartekracht en worden gebruikt om te voorspellen wanneer de bioreactorstroom in of uit fase is met zijn baan.

"Als je parameters blijft schalen, zoals het Froude-nummer, constante, u kunt de omvang van uw systeem vergroten en de optimale omgeving opnieuw creëren, " zei Ducci. "Als je een bioloog bent en de optimale omstandigheden voor celgroei hebt geïdentificeerd, maar moet in een grotere hoeveelheid produceren, we kunnen deze schaalparameters gebruiken om de reactor groter te maken."

Volgende, het team is van plan hun onderzoek uit te breiden naar andere typen niet-cilindrische reactoren en celsuspensies te verbeteren, om de kloof tussen verschillende soorten bioreactoren verder te overbruggen.